Electronic structure of a neutral oxygen vacancy in SrTiO3

The electronic structure of an isolated oxygen vacancy in SrTiO3 has been investigated with a variety of ab initio quantum mechanical approaches. In particular we compared pure density functional theory (DFT) approaches with the Hartree-Fock method, and with hybrid methods where the exchange term is treated in a mixed way. Both local cluster models and periodic calculations with large supercells containing up to 80 atoms have been performed. Both diamagnetic (singlet state) and paramagnetic (triplet state) solutions have been considered. We found that the formation of an O vacancy is accompanied by the transfer of two electrons to the 3d(z2) orbitals of the two Ti atoms along the Ti-Vac-Ti axis. The two electrons are spin coupled and the ground state is diamagnetic. New states associated with the defect center appear in the gap just below the conduction band edge. The formation energy computed with respect to an isolated oxygen atom in the triplet state is 9.4 eV.

Electronic and magnetic structure of LaMnO3 from hybrid periodic density-functional theory

The electronic and magnetic structures of the LaMnO3 compound have been studied by means of periodic calculations within the framework of spin polarized hybrid density-functional theory. In order to quantify the role of approximations to electronic exchange and correlation three different hybrid functionals have been used which mix nonlocal Fock and local Dirac-Slater exchange. Periodic Hartree-Fock results are also reported for comparative purposes. The A-antiferromagnetic ground state is properly predicted by all methods including Hartree-Fock exchange. In general, the different hybrid methods provide a rather accurate description of the band gap and of the two magnetic coupling constants, strongly suggesting that the corresponding description of the electronic structure is also accurate. An important conclusion emerging from this study is that the nature of the occupied states near the Fermi level is intermediate between the Hartree-Fock and local density approximation descriptions with a comparable participation of both Mn and O states.

Effects of new nonlinear couplings in relativistic effective field theory

We extend the relativistic mean field theory model of Sugahara and Toki by adding new couplings suggested by modern effective field theories. An improved set of parameters is developed with the goal to test the ability of the models based on effective field theory to describe the properties of finite nuclei and, at the same time, to be consistent with the trends of Dirac-Brueckner-Hartree-Fock calculations at densities away from the saturation region. We compare our calculations with other relativistic nuclear force parameters for various nuclear phenomena.

Quasilocal density functional theory and its application within the extended Thomas-Fermi approximation

In this paper we propose a generalization of the density functional theory. The theory leads to single-particle equations of motion with a quasilocal mean-field operator, which contains a quasiparticle position-dependent effective mass and a spin-orbit potential. The energy density functional is constructed using the extended Thomas-Fermi approximation and the ground-state properties of doubly magic nuclei are considered within the framework of this approach. Calculations were performed using the finite-range Gogny D1S forces and the results are compared with the exact Hartree-Fock calculations

Correlations in hot asymmetric nuclear matter

Bulk and single-particle properties of hot hyperonic matter are studied within the Brueckner-Hartree-Fock approximation extended to finite temperature. The bare interaction in the nucleon sector is the Argonne V18 potential supplemented with an effective three-body force to reproduce the saturating properties of nuclear matter. The modern Nijmegen NSC97e potential is employed for the hyperon-nucleon and hyperon-hyperon interactions. The effect of temperature on the in-medium effective interaction is found to be, in general, very small and the single-particle potentials differ by at most 25% for temperatures in the range from 0 to 60 MeV. The bulk properties of infinite matter of baryons, either nuclear isospin symmetric or a Beta-stable composition that includes a nonzero fraction of hyperons, are obtained. It is found that the presence of hyperons can modify the thermodynamical properties of the system in a non-negligible way.

Bulk and single-particle properties of hyperonic matter at finite temperature

Bulk and single-particle properties of hot hyperonic matter are studied within the Brueckner-Hartree-Fock approximation extended to finite temperature. The bare interaction in the nucleon sector is the Argonne V18 potential supplemented with an effective three-body force to reproduce the saturating properties of nuclear matter. The modern Nijmegen NSC97e potential is employed for the hyperon-nucleon and hyperon-hyperon interactions. The effect of temperature on the in-medium effective interaction is found to be, in general, very small and the single-particle potentials differ by at most 25% for temperatures in the range from 0 to 60 MeV. The bulk properties of infinite matter of baryons, either nuclear isospin symmetric or a Beta-stable composition that includes a nonzero fraction of hyperons, are obtained. It is found that the presence of hyperons can modify the thermodynamical properties of the system in a non-negligible way.

Nuclear pairing: surface or bulk?

We analyze how the spatial localization properties of pairing correlations are changing in a major neutron shell of heavy nuclei. It is shown that the radial distribution of the pairing density depends strongly on whether the chemical potential is close to a low or a high angular momentum level and has little sensitivity to whether the pairing force acts at the surface or in the bulk. The pairing density averaged over one major shell is, however, rather flat, exhibiting little dependence on the pairing force. Hartree-Fock-Bogoliubov calculations for the isotopic chain 100-132Sn are presented for demonstration purposes.

Maximum mass of neutron stars

We determine the structure of neutron stars within a Brueckner-Hartree-Fock approach based on realistic nucleon-nucleon, nucleon-hyperon, and hyperon-hyperon interactions. Our results indicate rather low maximum masses below 1.4 solar masses. This feature is insensitive to the nucleonic part of the EOS due to a strong compensation mechanism caused by the appearance of hyperons and represents thus strong evidence for the presence of nonbaryonic "quark" matter in the interior of heavy stars.

Entropy of a correlated system of nucleons

Realistic nucleon-nucleon interactions induce correlations to the nuclear many-body system, which lead to a fragmentation of the single-particle strength over a wide range of energies and momenta. We address the question of how this fragmentation affects the thermodynamical properties of nuclear matter. In particular, we show that the entropy can be computed with the help of a spectral function, which can be evaluated in terms of the self-energy obtained in the self-consistent Green's function approach. Results for the density and temperature dependences of the entropy per particle for symmetric nuclear matter are presented and compared to the results of lowest order finite-temperature Brueckner-Hartree-Fock calculations. The effects of correlations on the calculated entropy are small, if the appropriate quasiparticle approximation is used. The results demonstrate the thermodynamical consistency of the self-consistent T-matrix approximation for the evaluation of the Green's functions.

Density matrix functional theory that includes pairing correlations

The extension of density functional theory (DFT) to include pairing correlations without formal violation of the particle-number conservation condition is described. This version of the theory can be considered as a foundation of the application of existing DFT plus pairing approaches to atoms, molecules, ultracooled and magnetically trapped atomic Fermi gases, and atomic nuclei where the number of particles is conserved exactly. The connection with Hartree-Fock-Bogoliubov (HFB) theory is discussed, and the method of quasilocal reduction of the nonlocal theory is also described. This quasilocal reduction allows equations of motion to be obtained which are much simpler for numerical solution than the equations corresponding to the nonlocal case. Our theory is applied to the study of some even Sn isotopes, and the results are compared with those obtained in the standard HFB theory and with the experimental ones.

Studies on the interaction of two level atoms with quantized electromagnetic field

The present study described about the interaction of a two level atom and squeezed field with time varying frequency. By applying a sinusoidal variation in the frequency of the field, the randomness in population inversion is reduced and the collapses and periodic revivals are regained. Quantum optics is an emerging field in physics which mainly deals with the interaction of atoms with quantised electromagnetic fields. Jaynes-Cummings Model (JCM) is a key model among them, which describes the interaction between a two level atom and a single mode radiation field. Here the study begins with a brief history of light, atom and their interactions. Also discussed the interaction between atoms and electromagnetic fields. The study suggest a method to manipulate the population inversion due to interaction and control the randomness in it, by applying a time dependence on the frequency of the interacting squeezed field.The change in behaviour of the population inversion due to the presence of a phase factor in the applied frequency variation is explained here.This study also describes the interaction between two level atom and electromagnetic field in nonlinear Kerr medium. It deals with atomic and field state evolution in a coupled cavity system. Our results suggest a new method to control and manipulate the population of states in two level atom radiation interaction,which is very essential for quantum information processing.We have also studied the variation of atomic population inversion with time, when a two level atom interacts with light field, where the light field has a sinusoidal frequency variation with a constant phase. In both coherent field and squeezed field cases, the population inversion variation is completely different from the phase zero frequency modulation case. It is observed that in the presence of a non zero phase φ, the population inversion oscillates sinusoidally.Also the collapses and revivals gradually disappears when φ increases from 0 to π/2. When φ = π/2 the evolution of population inversion is identical to the case when a two level atom interacts with a Fock state. Thus, by applying a phase shifted frequency modulation one can induce sinusoidal oscillations of atomic inversion in linear medium, those normally observed in Kerr medium. We noticed that the entanglement between the atom and field can be controlled by varying the period of the field frequency fluctuations. The system has been solved numerically and the behaviour of it for different initial conditions and different susceptibility values are analysed. It is observed that, for weak cavity coupling the effect of susceptibility is minimal. In cases of strong cavity coupling, susceptibility factor modifies the nature in which the probability oscillates with time. Effect of susceptibility on probability of states is closely related to the initial state of the system.

Relativistische vier und zwei Spinor Finite Elemente Berechnungen zweiatomiger Moleküle

Der Vielelektronen Aspekt wird in einteilchenartigen Formulierungen berücksichtigt, entweder in Hartree-Fock Näherung oder unter dem Einschluß der Elektron-Elektron Korrelationen durch die Dichtefunktional Theorie. Da die Physik elektronischer Systeme (Atome, Moleküle, Cluster, Kondensierte Materie, Plasmen) relativistisch ist, habe ich von Anfang an die relativistische 4 Spinor Dirac Theorie eingesetzt, in jüngster Zeit aber, und das wird der hauptfortschritt in den relativistischen Beschreibung durch meine Promotionsarbeit werden, eine ebenfalls voll relativistische, auf dem sogenannten Minimax Prinzip beruhende 2-Spinor Theorie umgesetzt. Im folgenden ist eine kurze Beschreibung meiner Dissertation: Ein wesentlicher Effizienzgewinn in der relativistischen 4-Spinor Dirac Rechnungen konnte durch neuartige singuläre Koordinatentransformationen erreicht werden, so daß sich auch noch für das superschwere Th2 179+ hächste Lösungsgenauigkeiten mit moderatem Computer Aufwand ergaben, und zu zwei weiteren interessanten Veröffentlichungen führten (Publikationsliste). Trotz der damit bereits ermöglichten sehr viel effizienteren relativistischen Berechnung von Molekülen und Clustern blieben diese Rechnungen Größenordnungen aufwendiger als entsprechende nicht-relativistische. Diese behandeln das tatsächliche (relativitische) Verhalten elektronischer Systeme nur näherungsweise richtig, um so besser jedoch, je leichter die beteiligten Atome sind (kleine Kernladungszahl Z). Deshalb habe ich nach einem neuen Formalismus gesucht, der dem möglichst gut Rechnung trägt und trotzdem die Physik richtig relativistisch beschreibt. Dies gelingt durch ein 2-Spinor basierendes Minimax Prinzip: Systeme mit leichten Atomen sind voll relativistisch nunmehr nahezu ähnlich effizient beschrieben wie nicht-relativistisch, was natürlich große Hoffnungen für genaue (d.h. relativistische) Berechnungen weckt. Es ergab sich eine erste grundlegende Veröffentlichung (Publikationsliste). Die Genauigkeit in stark relativistischen Systemen wie Th2 179+ ist ähnlich oder leicht besser als in 4-Spinor Dirac-Formulierung. Die Vorteile der neuen Formulierung gehen aber entscheidend weiter: A. Die neue Minimax Formulierung der Dirac-Gl. ist frei von spuriosen Zuständen und hat keine positronischen Kontaminationen. B. Der Aufwand ist weit reduziert, da nur ein 1/3 der Matrix Elemente gegenüber 4-Spinor noch zu berechnen ist, und alle Matrixdimensionen Faktor 2 kleiner sind. C. Numerisch verhält sich die neue Formulierung ähnlilch gut wie die nichtrelativistische Schrödinger Gleichung (Obwohl es eine exakte Formulierung und keine Näherung der Dirac-Gl. ist), und hat damit bessere Konvergenzeigenschaften als 4-Spinor. Insbesondere die Fehlerwichtung (singulärer und glatter Anteil) ist in 2-Spinor anders, und diese zeigt die guten Extrapolationseigenschaften wie bei der nichtrelativistischen Schrödinger Gleichung. Die Ausweitung des Anwendungsbereichs von (relativistischen) 2-Spinor ist bereits in FEM Dirac-Fock-Slater, mit zwei Beispielen CO und N2, erfolgreich gemacht. Weitere Erweiterungen sind nahezu möglich. Siehe Minmax LCAO Nährung.

Systematic multi-configuration calculations on structures and properties of complex atoms

Die relativistische Multikonfigurations Dirac-Fock (MCDF) Methode ist gegenwärtig eines der am häufigsten benutzten Verfahren zur Berechnung der elektronischen Struktur und der Eigenschaften freier Atome. In diesem Verfahren werden die Wellenfunktionen ausgewählter atomarer Zustände als eine Linearkombination von sogenannten Konfigurationszuständen (CSF - Configuration State Functions) konstruiert, die in einem Teilraum des N-Elektronen Hilbert-Raumes eine (Vielteilchen-)Basis aufspannen. Die konkrete Konstruktion dieser Basis entscheidet letzlich über die Güte der Wellenfunktionen, die üblicherweise mit Hilfe einer Variation des Erwartungswertes zum no-pair Dirac-Coulomb Hamiltonoperators gewonnen werden. Mit Hilfe von MCDF Wellenfunktionen können die dominanten relativistischen und Korrelationseffekte in freien Atomen allgemein recht gut erfaßt und verstanden werden. Außer der instantanen Coulombabstoßung zwischen allen Elektronenpaaren werden dabei auch die relativistischen Korrekturen zur Elektron-Elektron Wechselwirkung, d.h. die magnetischen und Retardierungsbeiträge in der Wechselwirkung der Elektronen untereinander, die Ankopplung der Elektronen an das Strahlungsfeld sowie der Einfluß eines ausgedehnten Kernmodells erfaßt. Im Vergleich mit früheren MCDF Rechnungen werden in den in dieser Arbeit diskutierten Fallstudien Wellenfunktionsentwicklungen verwendet, die um 1-2 Größenordnungen aufwendiger sind und daher systematische Untersuchungen inzwischen auch an Atomen mit offenen d- und f-Schalen erlauben. Eine spontane Emission oder Absorption von Photonen kann bei freien Atomen theoretisch am einfachsten mit Hilfe von Übergangswahrscheinlichkeiten erfaßt werden. Solche Daten werden heute in vielen Forschungsbereichen benötigt, wobei neben den traditionellen Gebieten der Fusionsforschung und Astrophysik zunehmend auch neue Forschungsrichtungen (z.B. Nanostrukturforschung und Röntgenlithographie) zunehmend ins Blickfeld rücken. Um die Zuverlässigkeit unserer theoretischen Vorhersagen zu erhöhen, wurde in dieser Arbeit insbesondere die Relaxation der gebundenen Elektronendichte, die rechentechnisch einen deutlich größeren Aufwand erfordert, detailliert untersucht. Eine Berücksichtigung dieser Relaxationseffekte führt oftmals auch zu einer deutlich besseren Übereinstimmung mit experimentellen Werten, insbesondere für dn=1 Übergänge sowie für schwache und Interkombinationslinien, die innerhalb einer Hauptschale (dn=0) vorkommen. Unsere in den vergangenen Jahren verbesserten Rechnungen zu den Wellenfunktionen und Übergangswahrscheinlichkeiten zeigen deutlich den Fortschritt bei der Behandlung komplexer Atome. Gleichzeitig kann dieses neue Herangehen künftig aber auch auf (i) kompliziertere Schalensstrukturen, (ii) die Untersuchung von Zwei-Elektronen-ein-Photon (TEOP) Übergängen sowie (iii) auf eine Reihe weiterer atomarer Eigenschaften übertragen werden, die bekanntermaßen empflindlich von der Relaxation der Elektronendichte abhängen. Dies sind bspw. Augerzerfälle, die atomare Photoionisation oder auch strahlende und dielektronische Rekombinationsprozesse, die theoretisch bisher nur selten überhaupt in der Dirac-Fock Näherung betrachtet wurden.

Computeralgebraische Herleitung und Auswertung atomarer Störungsreihen und deren Anwendung auf geschlossenschalige und einfache offenschalige Systeme

In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, wie mit Hilfe der atomaren Vielteilchenstörungstheorie totale Energien und auch Anregungsenergien von Atomen und Ionen berechnet werden können. Dabei war es zunächst erforderlich, die Störungsreihen mit Hilfe computeralgebraischer Methoden herzuleiten. Mit Hilfe des hierbei entwickelten Maple-Programmpaketes APEX wurde dies für geschlossenschalige Systeme und Systeme mit einem aktiven Elektron bzw. Loch bis zur vierten Ordnung durchgeführt, wobei die entsprechenden Terme aufgrund ihrer großen Anzahl hier nicht wiedergegeben werden konnten. Als nächster Schritt erfolgte die analytische Winkelreduktion unter Anwendung des Maple-Programmpaketes RACAH, was zu diesem Zwecke entsprechend angepasst und weiterentwickelt wurde. Erst hier wurde von der Kugelsymmetrie des atomaren Referenzzustandes Gebrauch gemacht. Eine erhebliche Vereinfachung der Störungsterme war die Folge. Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit der numerischen Auswertung der bisher rein analytisch behandelten Störungsreihen. Dazu wurde, aufbauend auf dem Fortran-Programmpaket Ratip, ein Dirac-Fock-Programm für geschlossenschalige Systeme entwickelt, welches auf der in Kapitel 3 dargestellen Matrix-Dirac-Fock-Methode beruht. Innerhalb dieser Umgebung war es nun möglich, die Störungsterme numerisch auszuwerten. Dabei zeigte sich schnell, dass dies nur dann in einem angemessenen Zeitrahmen stattfinden kann, wenn die entsprechenden Radialintegrale im Hauptspeicher des Computers gehalten werden. Wegen der sehr hohen Anzahl dieser Integrale stellte dies auch hohe Ansprüche an die verwendete Hardware. Das war auch insbesondere der Grund dafür, dass die Korrekturen dritter Ordnung nur teilweise und die vierter Ordnung gar nicht berechnet werden konnten. Schließlich wurden die Korrelationsenergien He-artiger Systeme sowie von Neon, Argon und Quecksilber berechnet und mit Literaturwerten verglichen. Außerdem wurden noch Li-artige Systeme, Natrium, Kalium und Thallium untersucht, wobei hier die niedrigsten Zustände des Valenzelektrons betrachtet wurden. Die Ionisierungsenergien der superschweren Elemente 113 und 119 bilden den Abschluss dieser Arbeit.

On the chemistry of superheavy elements around Z = 164

With a relativistic Hartree-Fock-Slater calculation we determined the most stable configurations of the elements of the possibly quasistable island around Z = 164. It is found that the expected noble gas at Z = 168 should not occur, but instead the element Z = 164 should have the properties of a noble gas.